超高速摄影仪转镜运转可靠性数值与实验分析

为探讨分析转镜运转可靠性的数值方法,运用Monte Carlo理论并结合ANSYS参量化设计语言,根据小样本原理和可靠性理论建立了转镜运转可靠性分析数学模型.对转镜运转可靠性进行了数值分析,并对数值分析结果进行了实验验证.数值分析结果表明:转镜的功能函数值远大于零,最大应力与转镜转速的线性相关系数达0.9,镜体密度的相关系数值为0.15,最大应力、应变、位移的偏斜度和峭度值均为正值,统计结果服从正态分布呈右偏态,在95%的置信度水平下,转镜可靠度为0.999.这说明在理想状态下转镜的运转可靠性满足要求,转镜的最大应力值取决于转镜转速,并且镜体的密度对转镜最大应力有较大影响.转镜运转可靠性试验中没有转镜出现破坏,表明转镜运转可靠性数值分析方法是正确的,为转镜的运转可靠性分析提供一种可行、高效的数值分析手段.     

基于特征值灵敏度分析的超高速摄影仪转镜设计

利用数值分析方法,通过建立转镜特征值灵敏度分析模型,根据模态分析计算生成转镜特征值灵敏度循环执行文件,选用Monte Carlo法拉丁超立方抽样对转镜结构尺寸参数在其概率密度分布函数内进行抽样计算,统计分析得到反应转镜结构尺寸与特征值之间的Spearman秩相关系数。根据数值分析结果,修改镜体外接圆半径,并对修改前后的转镜分别进行模态数值分析和试验,结果显示转镜1阶模态增大101.8%,1阶临界转速达到8.7105 r/m,说明根据转镜特征值灵敏度数值分析结果优化转镜结构尺寸是一种实用、有效的方法。     

超高速摄影仪转镜谐响应的数值与试验分析

对超高速摄影仪转镜进行了谐响应数值分析,得到转镜在正弦周期激励下的幅频响应曲线、应力等值线图。转镜的幅频响应曲线在354 Hz处出现峰值,一阶扭转和二阶弯曲共振带出现了叠加,在1 600 Hz处曲线有细微的波动,转镜在一阶弯曲共振点处的幅频曲线幅值远大于其在1 600 Hz处的幅值,共振点处的等效应力是其匀速运转时的358倍。在转镜试验测试系统上测得的转镜幅频曲线在297 Hz 和355 Hz处均出现了峰值,数值解和实验结果能够很好地吻合。这说明转镜的一阶弯曲固有频率共振带是转镜的危险速度带,一阶弯曲是转镜出现动力学破坏的主要原因。仿真结果与实验结果的一致性表明,利用数值方法预测转镜的设计能否成功克服受迫振动引起的破坏是有效的。     

超高速摄影仪转镜动力学性能的研究

对超高速摄影仪转镜动力学特性提出了系统的数值分析方法,包括对转镜分别进行模态、谐响应、灵敏度数值分析和试验研究.首先利用数值方法提取出转镜前5阶固有频率、振型及转镜幅频特性曲线,发现转镜的1阶和2阶共振带出现了叠加现象,在1阶弯曲振动处幅频特性曲线上的峰值远大于其它各阶的峰值,最大应力出现在转轴上,说明转轴的损伤是转镜...     

超高速摄影仪转镜谐响应的数值与试验分析

 对超高速摄影仪转镜进行了谐响应数值分析,得到转镜在正弦周期激励下的幅频响应曲线、应力等值线图。转镜的幅频响应曲线在354 Hz处出现峰值,一阶扭转和二阶弯曲共振带出现了叠加,在1 600 Hz处曲线有细微的波动,转镜在一阶弯曲共振点处的幅频曲线幅值远大于其在1 600 Hz处的幅值,共振点处的等效应力是其匀速运转时的358倍。在转镜试验测试系统上测得的转镜幅频曲线在297 Hz 和355 Hz处均出现了峰值,数值解和实验结果能够很好地吻合。这说明转镜的一阶弯曲固有频率共振带是转镜的危险速度带,一阶弯曲是转镜出现动力学破坏的主要原因。仿真结果与实验结果的一致性表明,利用数值方法预测转镜的设计能否成功克服受迫振动引起的破坏是有效的。     

基于动力学性能的超高速摄影仪转镜的设计

为探索超高速摄影仪转镜的设计,提出了系统性的转镜动力学性能设计理论和方法。结合静力学和动力学理论,利用有限元分析软件对初始设计的转镜进行静强度、模态、谐响应、固有频率灵敏度进行数值分析,并对数值分析结果进行试验验证,根据分析结果反复修改相应的转镜的结构尺寸并设计新的转镜,对新设计的转镜进行交变力疲劳分析和试验。结果发现,初始设计转镜的最大应力小于转镜材料的屈服强度,转镜不会出现静强度失效;转镜一阶临界转速落在工作转速以内,其动力学特性不满足要求;镜体外接圆半径与转镜的固有频率负相关且相关程度最高;新转镜的一阶固有频率从459.4 Hz增大到713.6 Hz,变化率55.3%,转镜的一阶临界转速达到42 816 r/min,成功地避开了共振点,且疲劳强度满足设计要求。     

超高速摄影仪中铝转镜的模态分析

在有限元计算技术基础上,利用动力学理论提出了超高速摄影仪中转镜的模态分析方法,它能够较为精确模拟出任何结构转镜的固有频率及对应的振型.对三面体铝合金转镜的模拟结果表明,运用该方法设计转镜的临界点,可保证实际运转中临界点出现在选定的转速范围.     

超高速摄影中弹性支撑转镜的模态分析

提出了超高速摄影仪中弹性支撑转镜模态分析方法,利用有限元法对三面体铝合金转镜刚性支撑和弹性支撑情况下的一、二阶模态进行模拟,结果表明：电驱动转镜在转速工作范围内只有2个临界点,分别位于2.5×105~2.6×5 r/min和2.6×105~2.7×105 r/min处, 并且均为一阶弯曲振动,一阶模态振动发生在垂直平面内,二阶发生在水平平面内。将模拟结果与实测值进行了比较,发现假设转镜为弹性支撑与实测值吻合得较好。     

超高速摄影中弹性支撑转镜的模态分析

 提出了超高速摄影仪中弹性支撑转镜模态分析方法,利用有限元法对三面体铝合金转镜刚性支撑和弹性支撑情况下的一、二阶模态进行模拟,结果表明：电驱动转镜在转速工作范围内只有2个临界点,分别位于2.5×10⁵~2.6×⁵ r/min和2.6×10⁵~2.7×10⁵ r/min处, 并且均为一阶弯曲振动,一阶模态振动发生在垂直平面内,二阶发生在水平平面内。将模拟结果与实测值进行了比较,发现假设转镜为弹性支撑与实测值吻合得较好。     

超高速摄影中三面体铝合金转镜的空间结构强度数值分析

给出了3维弹性力学空间问题基本方程和有限元结构强度分析原理,分析了三面体铝合金转镜空间结构强度的力学特征,建立了有限元模型,分析了其在轴孔与轴的3种配合关系下的应力分布。结果表明轴孔严重削弱了镜体强度,而配合方式对转镜强度基本无影响。提出了减小转镜内部应力的无轴孔三面体铝合金转镜结构,在该结构下转镜强度提高了1.9倍,极限转速为原结构的1.7倍,适合于分幅式摄影系统。     

超高速转镜扫描相机扫描速度的校准及应用方法

研制了一套超高速转镜扫描相机扫描速度的校准装置,采用严格控制狭缝宽度和边缘质量的双狭缝、超快响应（0.7 ns）的光电倍增管以及相应措施,改善光电倍增管阴极不同部位灵敏度的一致性,使得校准装置的相对测量扩展不确定度达到了0.1％;给出了扫描速度校准的应用方法,并且分析了气压对相机符合转速的影响.     

超高速转镜式扫描相机的时间分辨率测量

分析了影响转镜扫描相机时间分辨率的各种因素,给出了极限时间分辨率和基于相机动态摄影分辨率计算的时间分辨率的理论计算公式和结果。结合国内普遍使用的SJZ-15型转镜扫描相机,用自研设备动态像质检查仪和100ps超短脉冲激光照明两种测试方法,计算出了该相机钢转镜和铍转镜在不同转速下的实测时间分辨率值,并对数据进行了分析、比对和讨论。实测数据表明：钢转镜的转速为12×104 r/min,其最高时间分辨率约为8ns;铍转镜的实用最高转速为30×104 r/min,其最高时间分辨率约为4ns。     

FJZ-250型高速分幅相机时间测量不确定度分析

FJZ-250型高速转镜分幅相机因转镜速度的不可重复性，光机结构的构造原理和控制系统各路高压触发时间的漂移，导致了时间测量的不确定度。为此，须对相机测量数据进行校正。阐述了校正方法、提供了逐幅校正位置误差的修正系数。若以预置转速对应的名义周期值去处理测量结果，则相机的时间测量合成小确定度将达1％，对名义周期值和名义幅间间隔时间值进行修正后，则可降至0.3％。     

转镜式高速相机扫描速度检测装置及不确定度评定

基于光电转换基本原理，设计并研制了用于转镜式高速扫描相机扫描速度的检测装置，包括均匀脉冲光源、精密双狭缝、超快响应光电转换器以及高带宽、高采样率数字示波器等。论述了检测装置的核心部件，用该装置实测了SJZ-15型转镜扫描相机名义扫速为4．5mm／μs的扫描速度，计算出了扫速不均匀性。按照国军标GJB3756，对检测装置的测量不确定度来源进行了分析，给出了该装置的不确定度评定方法及测量不确定度，对检测结果的评定表明，该检测装置的相对测量不确定度不大于0．1%，远低于目前转镜扫描相机的最大扫速不均匀性水平。实验证明，设计的检测装置具有很高的准确度和可靠性。     

扫描式超高速摄影中转镜镜面变形量的几何补偿

利用三维有限元计算技术,分析了从三面体到八面体铝合金转镜镜面变形规律.发现以四面体为界,三面体转镜镜面变形为向内凹进,五面体及以上转镜镜面则向外凸出.在对镜面变形定量分析基础上,提出了镜面变形的几何补偿方法,即采用柱面代替平直镜面,使镜面变形后的位置趋近于平直.结果表明,对镜面尺寸17.32 mm,轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×104 rpm下,镜面最高点偏离平直镜面的最大值为0.468 μm,是平直镜面的1/9,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级.说明铝合金转镜采用几何补偿方法,可以在扫描式摄影系统中代替铍转镜.     

超高速摄影中三面体转镜力学特性的计算机仿真

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术,建立了转镜力学分析的数值方法,并与四面体钢转镜的计算结果做了对比,表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法,计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度,得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.     

斜入射高速转镜相机数字像面的研究

转镜相机像面设计中,基于传统代替圆理论的设计存在原理性误差,而通过综合考虑几种代替圆理论衍生出来的最佳设计理论会出现圆心不重合、转镜中心点偏离坐标中心等问题,对加工和装配的要求高.在数字像面设计中,把转镜旋转中心点设为坐标中心,推导出每个传感器成像像面坐标和像面边缘离焦量方程,从模拟结果可以看出,转镜扫描时形成了Pascal蜗线,且每个像面又单独为一条直线,符合高速转镜原理和本文计算理论的结论.可为像面定位、工作角、倾斜角选取提供依据.